Co-Ga2O3纳米片光催化塑料制合成气

1.文章信息

标题：Plastics-to-syngas photocatalysed by Co–Ga2O3 nanosheets

中文标题：Co-Ga2O3纳米片光催化塑料制合成气

页码：National Science Review, Volume 9, Issue 9, September 2022, nwac011

DOI: 10.1093/nsr/nwac011

2. 期刊信息

期刊名：National Science Review (Natl. Sci. Rev.)

ISSN: 2095-5138

2022年影响因子：23.178

分区信息：中科院1区Top；JCR分区（Q1）

涉及研究方向：综合：综合

3. 作者信息：徐嘉麒，焦星辰，郑恺（第一作者），孙永福（通讯作者）中国科学技术大学

4. 光源型号：北京中教金源CEL-HXFUV300（300 W氙灯，全光谱）

文章简介：

塑料需要数百年才能自然降解，而它们的化学降解通常需要高温高压。 在这里，我们首先利用太阳能在环境条件下借助水实现可持续和高效的塑料到合成气的转化。例如，商用塑料袋可以通过 Co-Ga2O3 原子层有效地光转化为可再生合成气，氢气和一氧化碳的生成速率分别为 647.8 和 158.3 μmol g−1 h−1。原位表征和标记实验表明，水被光还原为氢气，而包括聚乙烯袋、聚丙烯盒和聚对苯二甲酸乙二醇酯瓶在内的不可回收塑料被光降解为二氧化碳，二氧化碳进一步被选择性地光还原为一氧化碳。深入研究表明合成气生产的效率主要取决于二氧化碳还原过程，因此应设计具有高二氧化碳还原活性的光催化剂，以提高未来塑料到合成气的转化效率。 将不可回收塑料光转化为可再生合成气的设计理念有助于同时消除“白色污染"并缓解能源危机。

塑料制品（如购物袋、饭盒、矿物瓶等）已经成为人们日常生活中使用广泛的人造材料之一。据估计，全球每年大约会生产3.59亿吨塑料，按照这个速度，到2050年自然环境中将累积约1.2亿吨不可回收的塑料垃圾。塑料通常需要数百年才能自然降解，而它的化学降解通常需要涉及高温和高压等条件，成本昂贵。考虑到塑料垃圾也是丰富的碳资源，因此可以将它们作为原料加以重新利用，制备具有高附加值的化学品。太阳能具有清洁和可再生等优点，因此利用太阳能将难以回收的塑料垃圾转化为有用的碳基化合物是一种很具前景的新技术。

合成气的主要成分为一氧化碳(CO)和氢气(H2)，它是一种重要的化工原料。基于此，研究人员提出了一种绿色环保的策略，在常温和常压下，借助水将塑料垃圾通过光照转化为清洁、可再生的合成气。在该工艺中，H2O会被还原为H2，而各种塑料制品，如聚乙烯(PE)塑料袋、聚丙烯(PP)塑料盒、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料瓶等可以被光降解为CO。与耗时的塑料自发降解相比，该策略利用太阳光和合适的光催化剂实现了塑料的高效降解，而生成的合成气又可以通过费托合成或者聚合过程得到全新的塑料制品。以PE塑料袋为例，Co-Ga2O3纳米片可以高效地将其转化为合成气，其中H2和CO的生成速率分别为647.8 μmol g-1 h-1和158.3 μmol g-1 h-1。

进一步的研究表明，合成气的生成效率主要取决于CO2的还原过程，因此未来应设计出具有高CO2还原活性的光催化剂，以提高光降解塑料制备合成气的效率。该工作中所提出的利用太阳能将难以回收的塑料转化成合成气的策略，有助于同时消除“白色污染"和缓解能源危机。此工作发表在国内著名期刊《National Science Review》上。

我们一致认为本文的创新之处有以下几点：

1. 实现了塑料的降解

2. 构建了塑料-CO₂-合成气的体系

3. 催化体系对多种塑料均有作用

图1.光催化塑料转化为合成气性能

图2.原位红外和理论计算揭示光催化塑料转化为合成气的机理